图像传感器、指纹检测装置和电子设备转让专利
申请号 : CN202011586585.1
文献号 : CN112714268B
文献日 : 2022-02-08
发明人 : 王程左
申请人 : 深圳市汇顶科技股份有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种图像传感器,其特征在于,包括:像素电路阵列,其中每个像素电路用于根据接收到的光信号产生输出信号;
输出电路,用于同时读取所述像素电路阵列中的多个像素电路的输出信号,以使所述多个像素电路的输出信号在所述输出电路中进行合并和平均,得到所述多个像素电路的输出信号的信号均值,并输出所述多个像素电路的输出信号的信号均值;
采样电路,用于采集所述输出电路输出的所述信号均值;
处理电路,用于对所述信号均值进行数据处理;
其中,所述像素电路阵列由多个子阵列组成,所述多个像素电路包括所述多个子阵列中编号相同的像素电路,所述各个子阵列中编号相同的像素电路位于各自对应的子阵列内相同的行和列。
2.根据权利要求1所述的图像传感器,其特征在于,所述图像传感器应用于指纹检测装置中,所述多个像素电路接收到的所述光信号为手指返回的同一方向的光信号;
所述像素电路阵列的每个子阵列中编号不同的像素电路分别用于接收不同方向的光信号。
3.根据权利要求1所述的图像传感器,其特征在于,所述输出电路包括运算放大器,所述运算放大器包括第一输入端和第二输入端,所述多个像素电路的第一输出端与所述运算放大器的第一输入端相连,所述多个像素电路的第二输出端与所述运算放大器的第二输入端相连。
4.根据权利要求3所述的图像传感器,其特征在于,所述运算放大器还包括与其输出端相连的多组晶体管,其中每组晶体管包括串联的第一晶体管和第二晶体管,其中,所述多组晶体管的数量与所述多个像素电路的数量相同,所述第一晶体管和所述像素电路的源跟随输入管的跨导相同,所述第二晶体管是与所述像素电路的选通开关管相同的选通开关管,所述源跟随输入管和所述选通开关管串联在所述像素电路的第一输出端和第二输出端之间。
5.根据权利要求4所述的图像传感器,其特征在于,所述运算放大器还包括电流镜,所述电流镜的一端与每个像素电路的源跟随输入管相连,所述电流镜的另一端与每组晶体管中的第一晶体管相连。
6.根据权利要求5所述的图像传感器,其特征在于,所述运算放大器还包括电流源,所述电流源的一端与每个像素电路的选通开关管相连,并与每组晶体管中的第二晶体管相连,所述电流源的另一端接地。
7.根据权利要求4所述的图像传感器,其特征在于,所述运算放大器还包括电流镜,所述电流镜的一端与每个像素电路的选通开关管相连,所述电流镜的另一端与每组晶体管中的第二晶体管相连。
8.根据权利要求7所述的图像传感器,其特征在于,所述运算放大器还包括电流源,所述电流源的一端与每个像素电路的源跟随输入管相连,并与每组晶体管中的第一晶体管相连,所述电流源的另一端接地。
9.根据权利要求4所述的图像传感器,其特征在于,所述像素电路还包括光电二极管、寄生电容器、复位开关管和传输管,其中,所述光电二极管的正极接地,所述光电二极管的负极与所述传输管的源极相连,所述传输管的栅极由传输信号控制,所述传输管的漏极与所述寄生电容器的一端、所述源跟随输入管的栅极、以及所述复位开关管的源极相连,所述寄生电容器的另一端接地,所述复位开关管的漏极接复位电压,所述复位开关管的栅极由复位信号控制,所述选通开关管的栅极由选通信号控制,所述源跟随输入管的源极与所述选通开关管的漏极相连,所述源跟随输入管的漏极一端和所述选通开关管的源极一端分别作为所述像素电路的第一输出端和第二输出端。
10.根据权利要求1所述的图像传感器,其特征在于,所述采样电路包括第一采样电容和第二采样电容,所述第一采样电容和所述第二采样电容用于在所述像素电路曝光前后分别采集两次所述信号均值,以实现相关双采样。
11.一种指纹检测装置,其特征在于,用于设置于电子设备的显示屏下方,所述指纹检测装置包括根据前述权利要求1至10中任一项所述图像传感器。
12.根据权利要求11所述的指纹检测装置,其特征在于,所述图像传感器中的像素电路阵列的每个子阵列中的多个像素电路分别用于接收多个方向的光信号,其中,所述指纹检测装置还包括设置在所述每个子阵列上方的光路引导结构,所述光路引导结构包括微透镜和设置在所述微透镜下方的多个挡光层,所述多个挡光层中的最上方的挡光层设置有至少一个通光小孔且其余挡光层中的每个挡光层上设置多个通光小孔,以形成所述多个方向的导光通道,所述微透镜用于对所述显示屏上方的手指返回的光信号进行会聚,所述多个方向的导光通道用于将对应方向的所述光信号引导至对应的像素电路。
13.一种电子设备,其特征在于,包括根据权利要求11或12所述的指纹检测装置。
说明书 :
图像传感器、指纹检测装置和电子设备
技术领域
背景技术
输出电路可以将像素电路输出的电信号读出。图像传感器的面积和功耗成为影响其发展的
因素之一,因此,如何减小图像传感器的面积和功耗,成为一项亟待解决的问题。
发明内容
像素电路的输出信号,并输出所述多个像素电路的输出信号的信号均值。
中实现对多个像素电路的输出信号的合并和平均。对于在需要进行信号合并和平均的场景
中,极大地减少了输出电路的数量,减小了图像传感器的面积和功耗。
位于各自对应的子阵列内相同的行和列。
和列,从而可以通过行扫描和列扫描的方式选通当前需要进行信号合并和平均的该多个像
素电路。
端相连,所述多个像素电路的第二输出端与所述运算放大器的第二输入端相连。
所述多个像素电路的数量相同,所述第一晶体管和所述像素电路的源跟随输入管的跨导相
同,所述第二晶体管是与所述像素电路的选通开关管相同的选通开关管,所述源跟随输入
管和所述选通开关管串联在所述像素电路的第一输出端和第二输出端之间。
连。
一端接地。
连。
另一端接地。
源极相连,所述传输管的栅极由传输信号控制,所述传输管的漏极与所述寄生电容器的一
端、所述源跟随输入管的栅极、以及所述复位开关管的源极相连,所述传输管的栅极由传输
信号控制,所述寄生电容器的另一端接地,所述复位开关管的漏极接复位电压,所述复位开
关管的栅极由复位信号控制,所述选通开关管的栅极由选通信号控制,所述源跟随输入管
的源极与所述选通开关管的漏极相连,所述源跟随输入管的漏极一端和所述选通开关管的
源极一端分别作为所述像素电路的第一输出端和第二输出端。
号均值,以实现相关双采样。
光层,所述多个挡光层中的最上方的挡光层设置有至少一个通光小孔且其余挡光层中的每
个挡光层上设置多个通光小孔,以形成所述多个方向的导光通道,所述微透镜用于对所述
显示屏上方的手指返回的光信号进行会聚,所述多个方向的导光通道用于将对应方向的所
述光信号引导至对应的像素电路。
附图说明
具体实施方式
获取该手指的指纹图像。
可编程增益放大器(Programmable Gain Amplifier,PGA)170和模数转换电路(Analog‑to‑
Digital Converter,ADC)180等。像素电路阵列110中被选通的像素电路将各自接收到的光
信号转换成电信号,并输入至输出电路120,并由输出电路120将该电信号读出。输出电路
120可以具有多种形式,包括但不限于传统的4T像素电路结构的源跟随器。采样电路130可
以对输出电路120输出的信号进行采样和保持,并进行相关双采样(Correlated Double
Sampling,CDS),然后在多路选择开关的控制下依次输出到PGA电路170和ADC电路180分别
进行放大和模数转换等操作,得到最终的数据。
合并和平均,编号为2的像素电路的输出信号需要进行信号合并和平均,编号为3的像素电
路的输出信号需要进行信号合并和平均,编号为4的像素电路的输出信号需要进行信号合
并和平均。
的四个像素电路组成的子阵列。应理解,每4个子阵列中的编号相同的像素电路的输出信号
对应的信号均值在进行后续处理后,可以作为图像传感300所采集的一幅图像中的一个像
素点的像素数据,例如,4个像素电路1的输出信号对应的信号均值在进行后续处理后可以
作为像素电路1的像素数据,4个像素电路2的输出信号对应的信号均值在进行后续处理后
可以作为像素电路2的像素数据。
出信号为OUT2
号B2
的输出信号为OUT1
B1
列的像素电路1的输出信号为OUT2
出,并得到信号B2
持。像素电路阵列110中的4个像素电路1经过各自对应的输出电路120,最终分别得到的信
号B1
的数据,分别记为VRST和VSIG。其中,VRST和VSIG分别是曝光前后两次采集的信号,对这两个信
号进行相关双采样后,可以消除噪声信号,接着将相关双采样后的信号输入至PGA电路170
和ADC电路180进行放大和模数转换,得到像素电路1的像素数据。
行放大和模数转换,得到像素电路2的像素数据。
体地,如果需要进行信号合并和平均的多个子像素分布在N行,且像素阵列110包括Y列,那
么需要N×Y个输出电路120和N×Y个采样电路130。因此,图像传感器中需要设置大量的输
出电路120和采样电路130,导致图像传感器的面积和功耗都较高。
了在输出电路320中实现对多个像素电路的输出信号的合并和平均。对于在需要进行信号
合并和平均的场景中,极大地减少了输出电路的数量,减小了图像传感器的面积和功耗,并
降低了成本。
处理电路进行处理。
均的该多个像素电路进行选择,优选地,在一种实现方式中,像素电路阵列310由多个子阵
列组成,该多个像素电路包括该多个子阵列中编号相同的像素电路,各个子阵列中编号相
同的像素电路位于各自对应的子阵列内相同的行和列。例如,各个子阵列中编号为1的像素
电路均位于对应子阵列中的第一行第一列,各个子阵列中编号为2的像素电路均位于对应
子阵列中的第一行第二列,等等。这样,可以很方便地通过行扫描和列扫描的方式选通当前
需要进行信号合并和平均的该多个像素电路,例如图2和图4所示。
相连,该多个像素电路的第二输出端与运算放大器的第二输入端相连。
该实施例中,是将需要进行信号合并和平均的该多个像素电路的两个输出分别作为输出电
路320的两个输入,从而使该多个像素电路的输出信号在输出电路320内完成合并和平均,
大幅度地减少了输出电路320的数量和采样电路330的数量,极大地降低了图像传感器的面
积和功耗,并降低了成本。
列310中的4个子阵列,每个子阵列包括2×2个像素电路,编号分别为1、2、3和4。每个子阵列
也可以包括其他数量的像素电路,例如每个子阵列包括R×R个像素电路,其中R>1。图4所示
仅为示例,不应对本申请的保护范围造成限制。另外,该像素电路阵列310中包括的子阵列
也可以具有其他数量。例如,像素电路阵列310可以包括P×Q×M个子阵列,P和Q为正整数,
其中,M表示需要对多少个像素电路的输出信号进行信号合并和平均,例如M=4。
的像素电路的输出信号需要进行信号合并和平均,编号为4的像素电路的输出信号需要进
行信号合并和平均。
列310包括P×Q×M个子阵列时,图像传感器300所采集的一幅图像包括P×Q个像素点,其中
需要对M个像素电路的输出信号进行信号合并和平均。例如,M=4时,4个像素电路1的输出
信号对应的信号均值作为像素电路1的像素数据,4个像素电路2的输出信号对应的信号均
值作为像素电路2的像素数据,4个像素电路2的输出信号对应的信号均值作为像素电路2的
像素数据,4个像素电路4的输出信号对应的信号均值作为像素电路4的像素数据,等等。
被选通。
列的像素电路1和第i+2行第j列的像素电路1输出的OUTN
第j+2列的像素电路1输出OUTN
行第j列的像素电路1和第i+2行第j列的像素电路1输出的OUTP
i+2行第j+2列的像素电路1输出OUTP
持,最终输出合并和平均后的数据,分别记为VRST和VSIG。其中,VRST和VSIG分别是曝光前后两
次采集的信号,对这两个信号进行相关双采样后,可以消除一定的噪声信号,接着将相关双
采样后的信号输入至PGA电路370和ADC电路380进行放大和模数转换,得到像素电路1的像
素数据。
路2经过类似的过程,最终也可以得到像素电路2对应VRST和VSIG,对这两个信号进行相关双
采样后,输入至PGA电路170和ADC电路180进行放大和模数转换,得到像素电路2的像素数
据。
极大地降低了图像传感器的面积和功耗。
的栅极、以及该复位开关管的源极相连,该寄生电容器的另一端接地,该复位开关管的漏极
接复位电压,该复位开关管的栅极由复位信号控制,该选通开关管的栅极由选通信号控制,
该源跟随输入管的源极和该选通开关管的漏极相连,该源跟随输入管的漏极一端和该选通
开关管的源极一端分别作为该像素电路的第一输出端和第二输出端。
管PD进行复位。该选通开关管M4开启时,表明该像素电路当前被选通,以进行信号合并和平
均。
M3的栅极以及复位开关管M2的源极相连,寄生电容器CFD的另一端接地,复位开关管的漏极
接复位电压VRST,复位开关管的栅极由复位信号RST控制,源跟随输入管M3的源极与选通开
关管M4的漏极相连,跟随输入管M3的漏极接电源电压VCCP,选通开关管M4的栅极由选通信
号RSEL控制。
电压的影响,源跟随输入管M3的漏极和选通开关管M4的源极分别产生电压信号OUTN和
OUTP,即该像素电路的两个输出信号。
量(即组数)与需要进行信号合并和平均的该多个像素电路的数量相同。
压。POUT,例如图4中的OUT1,是输出电路320的输出端的输出信号。该输出端与N组晶体管
3212相连,N组晶体管3212之间并联,其中每组晶体管3212包括串联的晶体管M5和晶体管
M6。具体地,该输出端可以与每组晶体管3212中的晶体管M5的栅极相连。
晶体管M3的跨导相同,或者说,输出电路320中的晶体管M5和像素电路中的晶体管M3是相同
的晶体管。并且,晶体管M6和晶体管M4为相同的选通开关管。由于输出电路320在进行信号
合并和平均时,晶体管M6和晶体管M4作为开关均为导通状态,以下,为了便于理解,可以将
晶体管M6和晶体管M4看作导线。
号,△V
+……+FD
运算放大器的输出端连接了与N个像素电路中的源跟随输入M3管和选通开关管M4分别相同
的N个晶体管M5和N个晶体管M6,从而实现了对N个像素电路的输出信号的合并和平均。
入输出电路320的两个输入端,输出电路320接收多个像素电路的输出信号OUTP和OUTN后,
输出合并和平均后的信号POUT。
实现相关双采样。
连。可以控制开关K1和开关K2,使得在像素电路的曝光前后分别通过第一采样电容C1和第
二采样电容C2采集两次信号均值,前一次是对复位电平VRST的采样,后一次是对曝光信号电
平VSIG的采样,两次采集的信号作差后可以消除复位噪声,因此提高了图像传感器的性能。
阵列的每个子阵列中的多个像素电路分别用于接收多个方向的光信号。
中该多个挡光层中的最上方的挡光层设置有至少一个通光小孔且其余挡光层中的每个挡
光层上设置多个通光小孔,以形成该多个方向的导光通道,该微透镜用于对显示屏上方的
手指返回的光信号进行会聚,该多个方向的导光通道用于将对应方向的光信号引导至对应
的像素电路。
其中,图8是像素电路阵列310中的三个子阵列上方的光路导引结构的剖视图,图9是像素电
路阵列310中的四个子阵列上方的光路引导结构的俯视图。
形成不同方向的四个导光通道,经微透镜会聚后的光信号分别经过这4个导光通道并分别
到达4个像素电路。如图8所示,微透镜阵列210包括多个微透镜211,每个微透镜对应一个像
素单元,每个像素单元包括4个像素。挡光层211上的开孔2211、挡光层222上的开孔2221、以
及挡光层223上的开孔2231形成一个光接收方向,该方向的光信号可以被像素电路331接
收;挡光层211上的开孔2211、挡光层222上的开孔2222和挡光层223上的开孔2232形成另一
个光接收方向,该方向的光信号可以被像素电路332接收;类似地,图9的俯视图中示出了4
个光接收方向。
应一个像素电路。
如一个子阵列中包括编号不同的两个像素电路,分别用于接收两个不同方向的光线。
纹检测。
计算设备,以及电子数据库、汽车、银行自动柜员机(Automated Teller Machine,ATM)等其
他电子设备。该穿戴式智能设备包括功能全、尺寸大、可不依赖智能手机实现完整或部分功
能的设备,例如智能手表或智能眼镜等;以及,只专注于某一类应用功能,且需要和其它设
备如智能手机配合使用的设备,例如各类进行体征监测的智能手环、智能首饰等。
上进行各种改进和变形,而这些改进或者变形均落在本申请的保护范围内。
盖在本申请的保护范围之内。因此,本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。